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北京科技大學查俊偉 AM：受含羞草啟發 - 動態可持續聚酰亞胺電介質薄膜

2022-11-04 來源：高分子科技

電介質聚酰亞胺作為絕緣材料在電力系統和電子設備中普遍存在。高溫、高壓和高場強等惡劣環境下長期應用，需要動態聚酰亞胺來應對電氣或機械損傷等不可逆失效過程。其中，需要解決的關鍵科學問題在于如何對剛性聚酰亞胺的分子結構進行設計，以實現動態可逆特性。

日前，北京科技大學查俊偉教授課題組設計了一種低分子量聚酰亞胺基因單元，通過與聚酰亞胺連接酶動態交聯來制備智能薄膜。有趣的是，由于基因單元和連接酶組合的可變性，通過“含羞草”仿生策略，將聚酰亞胺設計為軟硬結合的三種形式，以適應不同的應用場景。同時，薄膜具有良好的降解效率、優異的可回收性和可修復性，并且可重復使用。從含羞草仿生的角度出發，將簡單的聚酰亞胺基因單元與連接酶交聯制備高強度、耐高溫動態聚酰亞胺的設計思路，為電氣電子聚酰亞胺的可持續發展提供了良好的科研基礎和明確的案例。

含羞草的葉子一旦被觸摸就會立即合攏。從本質上說，它會本能地通過調節超分子網絡切換到相互連接、緊密的組織狀態，以增加葉片在暴露于外部刺激或感知危險時的硬度。以含羞草行為特性為靈感，成功制備了三種不同硬度和柔軟度的聚酰亞胺薄膜，以適應不同的惡劣環境。HTPI/80 ℃和HTPI/260 ℃薄膜含有高度移動的HDCN動態結構和穩定的可逆PHT動態交聯結構，可發生可逆相互作用，使薄膜在一定的壓力和溫度下修復。被修復的HTPI/260 ℃薄膜仍具有較好的力學性能、較高的熱穩定性、良好的機械性能、優異的抗電暈性和絕緣特性恢復能力。柔韌性較好的HTPI/200 ℃薄膜在濕度為80%時作為濕度傳感器的響應和恢復時間分別為~ 0.15 s和~ 0.74 s。其中水分去除過程中的恢復時間長于水分供給過程中的響應時間。此外，進一步設計了可視化的電子元器件，通過簡單的實驗演示，展示了HTPI/200 ℃薄膜組裝器件驚人的可回收性。此外，如何在不破壞碳纖維(CF)特性的情況下，從碳纖維增強復合材料(CFRCs)中回收CF是一個常見的挑戰。CF可回收的前提是CF表面樹脂完全降解，同時保持原有CF的高性能，包括表面光滑、機械性能穩定和化學結構不變。HTPI/260 ℃作為CFRC的基體可以完全降解而不會對CF造成明顯的缺陷，在不犧牲CF性能的情況下對CF進行多次回收將帶來巨大的經濟效益。

聚酰亞胺基因單元和薄膜的概念設計、結構

動態聚酰亞胺薄膜的可修復能力

動態聚酰亞胺薄膜的濕度傳感器應用和可回收性

碳纖維-動態聚酰亞胺薄膜復合材料的應用和可回收性

作者提出了材料合成過程中“基因組合”的創新思路，并基于含羞草的生物啟發制備了一種新型動態聚酰亞胺材料。與材料基因組工程不同的是，該思路是面向實際材料生產和制備而提出的。這種軟硬結合的聚酰亞胺在任何應用場景下都可以降解、可修復、多次循環利用。綜上所述，該多功能聚酰亞胺仿生設計策略可為后續智能剛性樹脂材料的制備提供基本思路，也將推動聚酰亞胺在智能絕緣領域的應用發展。本工作近期以“Dynamic Sustainable Polyimide Film Combining Hardness with Softness via a “Mimosa-like” Bionic Strategy”為題發表于Advanced Materials (Doi:10.1002/adma.202207451)上。第一作者為北京科技大學萬寶全博士，通訊作者為北京科技大學查俊偉教授。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207451

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（責任編輯：xu）

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